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第11卷第3期山 东 建 材 学 院 学 报Vol.11No.31997年9月JOU R NA L O F SHA N DON G IN ST IT U T E O F BU IL DIN G M A T ERI AL S Sep.1997 收稿日期:1995.07.05;修改稿收到日期:1995.11.07第一作者:女,1955年生,副教授激光工作物质系统的负温度状态与负的热力学温度张永利 孙成栋(山东建材学院基础部,复合材料研究所,济南,250022)摘要 从玻耳兹曼发布律出发,对处于负温度状态(即实现粒子数反转)的三能级激光工作物质系统的热力学温度进行了讨论,指出在负温度状态下,粒子系统的热力学温度仍可以大于零,证明了负温度状态并不等同于热力学温度T <0的状态。
关键词 粒子数反转;负温度状态;负的热力学温度中图法分类号 O 414对于一粒子系统,当其实现了粒子数反转时,常称其是处在了负温度状态。
然而这并不意味着此时系统的热力学温度也为负。
激光器作为一种新型光源,它的发光机制是基于粒子数反转系统的受激发射(无粒子数反转的激光系统除外)。
但在一般情况下(即粒子系统没有受到外界的特殊干扰或能量激励的情况下),粒子系统处于热平衡状态,粒子数按不同能量状态或能级的分布服从玻耳兹曼分布规律,即粒子系统的热力学温度为T 时,处于能量为E i 的高能级上的粒子数N i 与处于能量为E j 的低能级上的粒子数N j 之比为:N i N j=e -(E i -E j )/kT式中k 为玻耳兹曼常数。
由于E i >E j ,所以在一般情况下N i /N j <1,即粒子系统不处在粒子数反转状态,因此产生不了激光。
当有一外界能源作用于粒子系统时,在它的激励下,粒子系统中处于低能级上的粒子可以大量地被抽运到高能级上,从而造成一个不同于玻耳兹曼分布的状态——粒子数反转状态。
此时粒子系统已具备了产生激光的必要条件。
《激光器件》作业（1）1.说明激光产生的必要和充分条件。
简述激光器的基本组成部分及其功能。
激光器基本构成：1)工作物质：激光器的核心。
谱线波段，增益，结构形态。
2)泵浦源：电、光、热、化学能、核能激励。
激光电源，控制电路，能量转换效率。
3)光学谐振腔：为激光振荡建立提供正反馈；其参数影响输出激光束的质量。
稳定性，模式；镜片加工和镀膜工艺，调整精度4)辅助设施：散热系统，滤光设施。
调Q ，锁模，稳频，选模，放大。
产生激光的必要条件——粒子数反转：受激辐射要得到放大，必须辐射作用大于吸收作用。
要求上能级的粒子数大于下能级粒子数. 理想能级结构：上能级：亚稳态（长寿命），粒子数积累。
下能级：尽量清空。
产生激光的充分条件——阈值条件：激活介质的增益不小于损耗，才能产生激光振荡。
21G R ≥2. 判断谐振腔的稳定性(单位:mm) (1)R1=90, R2=40, L=100 (2)R1=20, R2=10, L=45 (3) R1=-40, R2=75, L=60 (4) R1=∞, R2=-10, L=501、稳定腔——傍轴光线在腔内任意多次往返不会横向逸出腔外 ()2211211,1101211R L g R L g g g D A -=-=<<<+<-其中或2、非稳腔——傍轴光线在腔内有限次往返必然从侧面溢出腔外 ()()121012112121-<+<>+>D A g g D A g g 即或即3.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m 及 R2=1.6m 。
(1)这是哪一类型谐振腔?(2)试确定腔长L 的可能取值范围, 并作出谐振腔的简单示意图。
凹凸镜；|g 1g 2|<14、画出下图所示谐振腔的等效透镜光路，并写出往返矩阵。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000000211110111011011101θθθθr T r D C B A r L f L f r注意：相乘时要反序乘；5. 某CO 2激光器采用平凹腔，L=50cm ，R=2m ，2a=1cm ，λ=10.6μm 。
高功率激光谱合成系统中热效应的分析随着科学技术的不断进步，激光技术在各个领域发挥了重要作用，并受到了广泛应用。
激光技术具有高能量、高精度、高速度等特性，在激光制造、激光加工和激光检测等方面有着重要的应用价值。
高功率激光谱合成系统由Pulse Position Modulator（PPM）驱动，其中包括多种激光器，如半导体激光器、氦氖激光、晶体激光等。
这样的复合激光源可以产生宽谱或窄谱，并且具有很高的能量和功率。
然而，这种复合激光源也存在一些问题，其中最大的问题之一是热效应。
在激光器的加热过程中，激光器会吸收大量的热量，从而导致激光器本身温度升高，使激光器的输出受到影响。
因此，对高功率激光谱合成系统中的热效应的分析变得尤为重要。
在对高功率激光谱合成系统中的热效应进行分析时，需要考虑激光器的特性、元件特性以及运行模式。
首先，针对激光器的特性和性能，关注激光器类型、激光功率、激光波长和激光脉宽等因素，这些因素会影响激光器内部温度及激光输出功率。
其次，关注激光器受控系统中元件的种类和数量，以及它们之间的热量传输关系。
最后，考虑激光器的运行模式，确定激光器的运行模式是否正确，以及激光器的散热系统是否合理。
另外，在高功率激光谱合成系统中，航空时间的变化也会对其热效应产生影响，航空时间间隔越短，激光器的负载也越大，从而会加剧其热效应。
此外，激光器负载的大小也会影响激光器的热效应，激光器负载越大，激光器表现出的热效应就越强烈。
因此，在高功率激光谱合成系统中，应尽可能避免热效应的发生。
为此，研究人员需要对激光器的功率、波长、脉宽进行理性调整，并且需要改善激光器的驱动系统，提高其运行稳定性。
另外，需要注意航空时间点的设定，避免航空时间间隔过短，使激光器受到过大的负载。
另外，需要改善激光器的散热系统，降低激光器内部温度，从而降低热效应的发生。
总之，对于高功率激光谱合成系统中的热效应，需要从激光器的特性、运行模式、航空时间的变化以及激光器的散热系统等角度，仔细分析热效应的发生原因，从而有效地避免热效应的发生。
激光器的分类来源：全球五金网 2011-10-31作者：佛山市科镭激光科技有限公司公司产品公司商机公司招商公司新闻激光器作为所有激光应用产品的核心部件，是所有激光应用产品的重中之重；而且激光器的种类是很多。
下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。
按工作物质分类根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。
按激励方式分类①光泵式激光器。
指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。
②电激励式激光器。
大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。
二极管泵浦固体热容激光器热效应探究引言：二极管泵浦固体热容激光器是一种基于固体材料的激光器，其主要特点是激光器晶体中的能级较高，具有较大的固体热容。
热效应是固体激光器中的一个重要问题，热效应会降低激光器的性能和输出功率稳定性。
因此，探究二极管泵浦固体热容激光器的热效应对激光器的优化设计和性能提升具有重要意义。
一、热效应的原理二极管泵浦固体热容激光器中的热效应是由于激光器晶体在光学泵浦过程中吸纳的部分能量被转化为热能而导致的。
晶体具有较大的热容，当光子能量被吸纳后，晶体温度会上升，从而导致晶体的热膨胀。
热膨胀会引起激光器光腔的尺寸变化，从而导致激光器输出功率的变化。
此外，激光腔的尺寸变化还会引起光腔模式的偏移，进一步影响激光器的性能。
二、热效应的影响1. 输出功率的变化：热效应会导致激光器的输出功率发生波动和变化。
当晶体温度提高时，激光器腔内的折射率也会发生变化，导致腔内光的传输特性发生改变，从而影响激光的输出功率。
此外，热膨胀还可能导致腔内激光模式的偏移，使得激光器的输出功率变得不稳定。
2. 光学泵浦效率的降低：在二极管泵浦固体热容激光器中，光子能量被吸纳后会被转化为热能，而不是完全转化为激光光子。
因此，晶体的温度提高会降低光学泵浦效率，导致激光器的发射效果不佳。
3. 激光腔的稳定性降低：由于热膨胀引起的激光腔尺寸变化，使得激光器的腔内模式产生偏移，导致激光输出功率的不稳定性增加。
这将给激光器的应用带来一些困扰，特殊是对于要求高稳定性的应用。
三、热效应的探究方法1. 温度测量：探究热效应的首要任务是对晶体温度进行准确测量。
目前常用的温度测量方法有红外热像仪和热电偶等。
通过对晶体表面的温度分布进行测量，可以了解热效应在激光器中的分布和变化状况。
2. 仿真模拟：借助计算机软件进行热效应的仿真模拟是一种常用的探究方法。
通过建立激光器的热传导方程和热光耦合方程，可以得到激光器晶体的温度分布和热效应对激光器性能的影响。
解析激光在材料加工中的效应激光已成为现代制造业中重要的加工工具之一，其应用范围包括切割、钻孔、焊接、雕刻等多个领域。
激光加工具有高精度、高效率、无接触等特点，以及能够对多种材料进行加工，因而在现代制造业中得到了广泛的应用。
本文就激光在材料加工中的效应进行一些解析和探讨。
激光是一种聚焦后具有高能量密度的光束，它对各种材料产生的影响主要包括三个方面：热效应、光化学和力学效应。
其中，热效应是最为显著的一个方面。
热效应是指激光辐射能量加热材料，从而使材料的温度升高，产生局部熔化、蒸发、膨胀等现象。
当激光束的功率密度高于材料的热导率时，激光束在材料内产生的热量难以扩散出去，导致局部熔化和汽化。
这种效应通常被用于材料的切割和钻孔。
光化学效应是由激光束照射后，在材料表面产生的光化学反应。
这种效应通常用于对有机污染物的清洗和材料表面的改性。
力学效应是指激光束辐射后，产生的动量的力量对材料作用，从而产生剪切、弯曲、拉伸等效应。
这种效应通常用于材料的表面处理和弯曲加工等。
不同的激光类型和波长对材料的效应也有所不同。
常用的激光类型包括：二氧化碳激光(CO2)、氮气激光(N2)、Nd:YAG激光、光纤激光等。
其中，CO2激光的波长为10.6微米，能够在金属、陶瓷和塑料等材料上进行切割和焊接加工，而Nd:YAG激光的波长为1.06微米，较CO2激光更易于在金属和非金属材料上进行加工，常用于焊接、钻孔和雕刻等。
另外，激光加工的效率也受到几个因素的影响，例如激光功率、激光脉冲时间、激光波长、材料特性等。
功率越大，材料加工效率越高，但是也可能导致材料的氧化、脆性增加等问题。
在增加功率的同时，适当调整激光脉冲时间和波长，能够更好地优化加工效果。
此外，材料的热导率和热膨胀系数等特性也会对激光加工的效率产生影响。
因此，在进行激光加工前，需要对材料的特性进行详细分析和研究，以确定最佳加工方案和参数。
需要注意的是，激光加工虽然具有高效、高精度等优点，但也有一些局限性。
